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全面解析金刚石绳锯技术

http://www.momo35.com   来源:超硬天地  日期:2017/09/29
  1、前言
  
  金刚石绳锯作为一种柔性超硬材料切割工具,从面世至今,已有40多年的发展历史,从最初的电镀技术,发展到以烧结、 钎焊技术为主流的制造技术;从只能切割软质石材到广泛应用于花岗岩矿山的荒料开采、钢筋混凝土或金属结构件的切割,在制造技术推陈出新的同时,应用范围也越来越广。目前国产金刚石绳锯的综合性能已经接近国际先进水平,且造价低廉,完全能够满足国内石材矿山开采和板材加工业的需求,甚至有许多企业生产的绳锯产品已开始大量出口欧美等西方国家。随着金刚石绳锯机械及金刚石绳锯切割技术的快速推广使用,我国石材荒料开采已进入金刚石绳锯时代,金刚石绳锯制造企业得到了空前的发展。如国内某公司2007 年金刚石绳锯产量已达3万多米,产值1500万元,盈利300多万,相对上一年度,产量、产值、利润等指标都实现了翻番的目标。国内金刚石绳锯制造企业通过自主创新,推动了国内金刚石绳锯技术的快速进步,为金刚石绳锯的进一步推广使用奠定了坚实的基础。
  
  2、金刚石绳锯的制作新工艺
  
  随着金刚石绳锯使用量的增长和应用面的不断扩大,金刚石绳锯的生产技术也在不断地进步,为了顺应国内外市场急剧发展的形势,赶上国际先进水平,国内一些公司近几年不断引进新设备,研究应用新技术,在生产规模不断扩大的同时,产品质量、 生产效率也大幅度提高,而制作成本却在不断下降。
  
  2.1 制粒及容积式自动冷压工艺
  
  目前国内绳锯生产厂家普遍采用不制粒的粉末进行手工冷压串珠生产,生产效率低,产品质量易受人为因素影响,且工作环境粉尘多,不利于人体健康。
  
  鉴于使用不制粒粉末进行冷压存在的诸多弊端,国内某公司首先将粉末制粒工艺及配套设备应用于生产实践。粉末制粒工艺就是将粉料加入容器中靠搅拌器与切割刀的高速旋转作用并喷射雾化溶剂使粉末形成颗粒,20min可完成10kg粉料的制粒,制粒粉经烘干、筛选后,制成30~80目的球状颗粒,成型率在85%以上。这种方法制作的粉料,流动性更好,金刚石经过包衣与制粒粉末混合后,金刚石在工作唇面上的分布更均匀;包衣后的金刚石表面被粉末包裹,在压制过程中避免了与模具表面直接接触,降低了模具的损耗。
  
  有了粉末制粒技术和金刚石包衣技术以后,国内一些公司引进国外生产的自动冷压机进行串珠的生产,该设备是根据容积法(定粉料的量)从装料到基体和胎体一起冷压成型,自动化程度高,节省人力,从而大幅度提高了生产效率,降低了生产成本。
  
  2.2 热等静压技术
  
  金刚石串珠烧结是绳锯生产中的重要环节,直接影响绳锯的锯切性能。串珠是圆筒薄壁结构,要求烧结致密度高,通常的热压烧结方法由于上下压头壁太薄,受压能力差,直接限制了串珠的烧结致密度,而且压头损耗大 ,成本较高。传统的先冷压再无压烧结方法,串珠的烧结致密度更低,严重影响绳锯的性能。目前最有效的烧结方式就是采用热等静压(HIP)技术,在串珠生产中的应用就是将烧结后的串珠置于玻璃套中(也有企业不放入玻璃套,直接放入热等静压烧结炉中),放入热等静压机中,以惰性气体Ar气为传压介质,温度升到800℃~900℃进行等静压处理,然后采用滚筒处理或喷丸处理将玻璃套去掉。用该技术生产的串珠孔隙少,致密度高,能提高串珠的硬度、强度、耐磨性及工作寿命,还能提高基体与胎体之间的粘接强度;由于炉腔大,一次性可以装几千粒串珠,利于批量生产。
  
  3、金刚石绳锯的新技术
  
  3.1 钎焊技术
  
  孕镶金刚石工具是一种将金刚石颗粒和金属粉末混合后烧结制成的特殊复合材料。金刚石颗粒在胎体中一般呈随机状态分布,工具工作时随着胎体的不断磨损,使得一层层的金刚石颗粒不断出露并作为微切削刃刻取被切割物,自身不断磨损碎裂和脱落,以接力的形式连续工作,循环往复以至消耗完毕。孕镶烧结串珠的金刚石在胎体中的分布都是随机的,磨粒之间的间隔不均,而胎体又主要是靠机械力的方式对金刚石把持,金刚石出刃值低,切割效率低,出刃自锐问题难于解决,不能发挥每一颗金刚石的磨削作用,造成原料的浪费。金刚石串珠 “钎焊” 的原理是采用含有活性元素(如Ti、Cr、W 等)的钎料在钎焊的过程中使活性元素与金刚石表面发生化学反应并形成一层碳化物,借助于这层碳化物的作用,金刚石、胎体(钎料)、基体三者就能实现牢固的化学冶金结合。国内钎焊串珠主要用镍基或钛基钎料,然后在真空条件或氩气保护气氛下烧结。目前国内企业主要是制作单层金刚石钎焊串珠,多层金刚石钎焊串珠还有待研究。
  
  3.2 金刚石定向排布技术
  
  金刚石按照一定的规律有序地在工具工作唇面上排布,金刚石与金刚石之间的排列距离,排列规律都是可控的,用以适应不同切割对象的切割要求,我们将此种技术称为金刚石定向排布技术。实现金刚石有序排列的方法有模板法、点胶法、激光法。最新的实用方法是在胎体冷压成型过程中形成所需要的规则排布的孔,孔的直径大小按照金刚石包衣的最粗粒度设计,采用自动冷压机自动冷压成型,然后采用特殊的专用设备将金刚石填入孔中,再冷压后进行热压烧结。金刚石在串珠工作唇面上有序地排列后,其切割效率和切割寿命比传统的串珠有较大改善,金刚石的利用率也有很大的提高。
  
  3.3 综合技术应用
  
  综上所述,采用高温钎焊和金刚石有序排布综合制造技术制作的串珠与孕镶烧结、 电镀串珠比较,有着不可比拟的优势,特别是在小直径串珠绳上的应用。其主要优势有: ①金刚石出露高,普通型串珠的金刚石出刃高度限制在磨粒高度的1/3,而钎焊型串珠的出刃高度可达2/3,具有高达70%~80%的金刚石裸露高度,大大扩展了容屑空间,不容易发生切屑堵塞而导致工具失效。②切割效率高,钎焊型串珠的切割效率是普通烧结型串珠的4 倍,其牢固的化学冶金结合适合高效磨削。③金刚石的利用率高,金刚石用量减少一半,降低了成本,而锯切寿命相当于常规串珠。钎焊技术在小直径串珠上的应用能产生很好的效果,若把孕镶烧结型串珠的胎体直径减小便失去了其多层金刚石的特点,而钎焊技术却能够制造出性能优越而规格比较小的金刚石串珠。
  
  4、金刚石绳锯新系列和新应用扩展情况
  
  4.1 金刚石绳锯的新系列
  
  比较传统的金刚石系列绳锯(直径一般为58-512mm) ,以小直径金刚石绳锯的应用为代表(串珠直径一般为55.5- 57.5mm )形成了金刚石绳锯的新系列品种,其主要应用于严格要求切缝大小的领域。
  
  同时串珠直径的减小,对珍贵石材的切割有重要意义。小直径金刚石绳锯在石材加工上的应用,一方面节约石材资源,另一方面减少加工能耗,使得加工手段更趋环保。为了满足市场需求,国内一些公司现在已生产出多种规格的串珠绳,直径最小的已能做到56.0。缩小绳锯规格,必定要缩小钢丝绳芯和金刚石串珠的直径,其采用的钢丝绳直径一般只有53.5~53.8mm ,由于切割阻力的减少,小直径金刚石绳锯可锯切大面积(4m2)和厚度(5mm)很薄的花岗岩板材,锯切效率提高了3 倍。小直径绳锯的切割力和能量消耗比59mm的绳锯大约减少20%~30% ,每平方米的切割时间减少大约25%。用小直径绳锯加工出来的材料尺寸偏差也小于大直径金刚石绳锯,因此它具有一些特殊的性能。目前小直径串珠最好采用热等静压技术(先经过冷压后热等静压烧结)或是采用钎焊金刚石的方法制作。缩小金刚石串珠直径有利于提高生产率、 降低生产成本,且在使用过程中噪音小,污染少,能耗低。
  
  4.2 钢筋混凝土切割绳锯的新应用进展
  
  目前国内钢筋混凝土绳锯技术已经发展到了相对成熟的阶段,实际使用的范围在不断的扩大。除了传统的钢筋混凝土结构切割,其在海底电缆切割,输油管道切割,大型的钢铁等金属结构件切割,锅炉和冶炼炉的改造等领域也有大规模的应用。如哈尔滨工程大学和国内某公司合作开发的海底输油管道和电缆管道切割绳锯和配套的设备已经得到了小规模的应用;上海宝钢和广西柳钢等国内大中型钢铁企业冶炼炉的改造工程也大量使用了金刚石绳锯,其具有的切缝小,操作简单,环保,部件切割能力强等优点能给企业节省大量的改造成本。
  
  5、结语
  
  相比较其它金刚石工具,金刚石绳锯是柔韧性工具,其不仅可用于切割直板,还可切割异形板材;不受物体表面形状限制,工作场地要求简单,可以进行大面积切割;使用金刚石绳锯可以提高资源利用率,减少对环境的污染。由于具备这些优势,其市场规模越来越大,应用范围越来越广。随着技术的进步,采用粉末制粒技术和自动冷压技术,可大幅度提高金刚石绳锯的生产效率;采用诸如热等静压技术、金刚石定向排布技术、钎焊技术等新工艺、 新方法制作的金刚石绳锯可以大幅度地提高绳锯的综合性能,高性能金刚石绳锯的大规模使用对于提高石材资源的利用率,降低单位面积的切割成本和保护生态环境具有十分重要的意义。
 
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